鐘家均, 凌 航, 曾 濤

(中石化西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041)

0 引言

初至拾取一直是地震勘探中的一個(gè)基礎(chǔ)而又非常重要的問題。初至拾取是地表低速帶靜校正的基礎(chǔ)，特別是在近地表結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的地區(qū)，準(zhǔn)確拾取地震波走時(shí)還是地震層析成像方法中計(jì)算速度的重要依據(jù)[1]。迄今為止，許多專家學(xué)者以及專業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)者都針對初至拾取開展了大量的工作，目前絕大多數(shù)處理系統(tǒng)(Omega、Geovation等)或者靜校正軟件(ToModel等)均有初至自動拾取的功能，筆者也查閱了大量的文獻(xiàn)，但幾乎都是討論如何準(zhǔn)確求取初至位置的方法和原理，對于自動拾取初至后產(chǎn)生的大量不正確初至值(初至奇異值)如何處理，很少有文獻(xiàn)提及。王振國[2]研究提高記錄信噪比提高初至拾取的準(zhǔn)確性；左國平等[4]介紹使用改進(jìn)的能量比實(shí)現(xiàn)一種簡潔易于實(shí)現(xiàn)的初至自動拾取方式；陳仲平等[8]討論利用空變時(shí)窗約束條件增加初至自動拾取位置的準(zhǔn)確性；徐鈺[10]則著重討論利用時(shí)窗、相位、能量等多種因素實(shí)現(xiàn)自動準(zhǔn)確高效拾取初至，也簡單提及了如何刪除部分初至奇異值點(diǎn)的方法等?；诖耍P者重點(diǎn)討論如何在獲得了自動拾取初至數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，利用文中介紹的方法原理，編程實(shí)現(xiàn)初至奇異值的自動編輯剔除，大幅度減少人工進(jìn)行初至修改的操作，最終保留真實(shí)準(zhǔn)確的自動拾取的初至數(shù)據(jù)，達(dá)到快速獲取準(zhǔn)確靜校正量的目的。

1 奇異值編輯的實(shí)踐基礎(chǔ)

1.1 初至數(shù)據(jù)的表現(xiàn)特征

理論模型正演數(shù)據(jù)表明，無論是水平地表還是起伏地表，初至在空間都表現(xiàn)出一定的連續(xù)性(圖1)，如初至與炮檢距、道順序和炮樁號等存在多因素的變化關(guān)系[6](圖2～圖5)。初至數(shù)據(jù)包含一些嚴(yán)重不滿足這種關(guān)系的獨(dú)立或者有一定連續(xù)性的大值起跳點(diǎn)，即初至奇異值點(diǎn)。

圖1 層狀介質(zhì)理論地質(zhì)模型及其模擬記錄Fig.1 Theoretical model of layered media and corresponding simulation records(a)水平地表模型;(b)起伏地表模型;(c)水平地表模擬記錄;(d)起伏地表模擬記錄

圖2 兩種模型的初至疊加顯示Fig.2 First break superposition of the two models(a)單個(gè)炮記錄初至疊加顯示;(b)所有炮記錄初至數(shù)據(jù)疊加顯示

1.2 剔除部分冗余初至對層析靜校正量的影響

一般情況下，處理人員希望一炮不漏的獲得逐道準(zhǔn)確的初至信息。但復(fù)雜的地震地質(zhì)條件使得炮點(diǎn)初至變化復(fù)雜，各種干擾導(dǎo)致地震道初至前背景不干凈，巖性差異導(dǎo)致激發(fā)能量傳遞不一致而影響初至起跳的強(qiáng)弱，手工拾取初至?xí)艿捷^大的人為因素影響，看漏、看錯(cuò)不可避免等。因此，盡量減少人為因素干擾，利用自動拾取初至和并快速去除那些初至值不正確的點(diǎn)是目前最為快捷的一種方式。但剔除這些不正確的點(diǎn)，勢必導(dǎo)致初至數(shù)據(jù)量減少，在目前覆蓋次數(shù)較高的地震采集技術(shù)方法下，當(dāng)出現(xiàn)初至漏失會產(chǎn)生影響，我們以某工區(qū)手工拾取初至數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對不同的初至數(shù)據(jù)集產(chǎn)生的靜校正量進(jìn)行了分析。在隨機(jī)減少10%～50%的有效初至進(jìn)行初至層析反演，采用統(tǒng)一的反演參數(shù)，獲得其速度模型和靜校正量。圖6是原始初至數(shù)目和在此基礎(chǔ)上減少40%的靜校正量對比，表1是針對不同的模型參數(shù)和不同的初至數(shù)量進(jìn)行層析反演之后的實(shí)際效果對比分析。由圖6與表1分析及層析反演靜校正量實(shí)際計(jì)算可知，對于高覆蓋次數(shù)的地震數(shù)據(jù)道，去掉部分冗余初至對層析靜校正量影響不大。特別是基于近地表速度模型的基準(zhǔn)面靜校正量，控制形態(tài)和構(gòu)造成像的長波長靜校正量，五種方式不存在明顯的差異。因此，我們有理由認(rèn)為，在初至數(shù)據(jù)存在冗余的情況下刪除部分初至數(shù)據(jù)對靜校正量影響很小。

表1 手工拾取初至總量和在其基礎(chǔ)上隨機(jī)減少不同比例的靜校正量對比表

圖3 共炮點(diǎn)初至數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一定連續(xù)性的曲線形態(tài)Fig.3 The first break data of common shot points show a certain continuous curve shape(a)水平地表;(b)起伏地表

圖4 共檢波點(diǎn)初至數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一定連續(xù)性的曲線形態(tài)Fig.4 The first break data of co-detection points show a continuous curve shape(a)水平地表;(b)起伏地表

圖5 共炮檢距初至數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一定連續(xù)性的曲線形態(tài)Fig.5 The first arrival data of common offset show a certain continuous curve shape(a)水平地表;(b)起伏地表

圖6 手工拾取初至總量和在其基礎(chǔ)上隨機(jī)減少40%的層析反演模型和靜校正量對比Fig.6 Comparison of tomographic inversion models and static corrections based on first break collection of manual picking up and random 40 % reduction(a)原始初至數(shù)據(jù)反演的近地表速度模型;(b)減少40%初至后反演的近地表速度模型(c)原始數(shù)據(jù)靜校正量;(d)減少40%初至的靜校正量;(e)原始初至和減少40%初至靜校正量之差

1.3 快速準(zhǔn)確拾取初至是資料快速處理的重要保證

隨著勘探開發(fā)進(jìn)程加快，資料處理項(xiàng)目的時(shí)間節(jié)點(diǎn)安排變得越來越緊湊，資料快速處理任務(wù)也越來越多，工作量大、時(shí)間緊。而利用初至數(shù)據(jù)的層析靜校正，是常規(guī)處理中較為準(zhǔn)確而又相對穩(wěn)定的靜校正量獲取方法[3，9]。在短期內(nèi)能夠獲得較為準(zhǔn)確的靜校正量，一直是資料處理人員需要達(dá)成的目標(biāo)。因此，想盡一切辦法獲得接近真實(shí)的初至拾取數(shù)據(jù)，拾取速度就決定了靜校正量的獲取速度，也決定了能夠獲得更加準(zhǔn)確的初至折射或者層析靜校正量。

2 初至奇異值剔除編輯思路

目前地震數(shù)據(jù)利用初至拾取軟件進(jìn)行自動拾取的效率高，而且可供選擇的拾取方法也很多。筆者討論利用自動拾取初至的結(jié)果，并根據(jù)初至奇異值的分布規(guī)律和特征，討論提出剔除初至奇異值需要完成的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和基本操作方法，并設(shè)計(jì)提出初至的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)此模型估算剔除初至奇異值，從而完成初至奇異值從正常初至數(shù)據(jù)集中分離剔除操作。

2.1 自動拾取初至的結(jié)果的獲得

在進(jìn)行本方法編輯初至之前，需要采用適合該工區(qū)自動拾取精度比較高的初至拾取方法(可以自己編程實(shí)現(xiàn)，也可以利用處理系統(tǒng)或者靜校正軟件等完成)對地震數(shù)據(jù)批量自動拾取一遍初至(圖7)，將初至數(shù)據(jù)保存到地震數(shù)據(jù)到頭或者單獨(dú)的指定格式文件中。需要注意的是，無論采用什么樣的自動拾取方法，應(yīng)保證全區(qū)初至拾取位置的一致性。

圖7 部分排列自動拾取初至(已線性動校)和某炮初至數(shù)據(jù)在空間上的展布Fig.7 First break ( linear motion correction ) of partial spread of a shot and spatial distribution of first break of a shot(a)自動拾取的部分排列初至點(diǎn)(紅色點(diǎn));(b)單個(gè)炮點(diǎn)初至空間分布(含奇異值點(diǎn))

2.2 初至奇異值的分布規(guī)律

自動拾取之后的初至包含著許多的奇異值點(diǎn)(圖8)，如果保留，會嚴(yán)重影響初至拾取的質(zhì)量，如果直接應(yīng)用于初至層析靜校正的反演中，會大大降低靜校正量獲取的質(zhì)量。手工操作拾取初至?xí)r，主要是逐個(gè)排列去查看并執(zhí)行刪除或者重新拾取操作，這種工作量很大，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。通過觀察和實(shí)際拾取操作，發(fā)現(xiàn)需要手工拾取和修改初至的部分符合以下幾個(gè)規(guī)律：

圖8 某三維炮點(diǎn)自動拾取初至及伴隨的奇異值Fig.8 The first break and the associated singular values of all the three-dimensional shot points by automatically picked up

1)初至值隨炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)位置和炮檢距的變化步調(diào)突然不一致。

2)拾取位置常出現(xiàn)在地震道信噪比低或者地震道初至前干擾特別嚴(yán)重的位置。

3)刪除奇異值初至的操作較為多且頻繁，相對簡單容易，但拾取初至的幾率較少，且操作顯得更為復(fù)雜。

4)總是希望找到一次性的去掉異常值的方法，然后集中精力進(jìn)行拾取檢查操作。

5)希望能夠看到和處理的初至更集中、更多等。

據(jù)上述初至拾取工作特點(diǎn)，希望找到一種軟件實(shí)現(xiàn)奇異值的自動剔除，借助可視化界面將初至數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析處理，進(jìn)行少量的操作之后視情況開展下一步精細(xì)拾取工作，減少因?yàn)槿庋塾^察失誤或者視覺疲勞而漏拾的現(xiàn)象，這樣會大大縮短初至拾取的時(shí)間，提高初至拾取質(zhì)量和效率。

2.3 奇異誤差值的估算與控制模型

前人研究表明[5-7]，無論是理論模型還是實(shí)際初至數(shù)據(jù)，影響初至值大小的幾個(gè)關(guān)鍵因素主要為激發(fā)點(diǎn)和檢波點(diǎn)的空間位置關(guān)系。從理論模型的初至數(shù)據(jù)來看，無論地表如何起伏彎曲，其初至的連線形態(tài)是基本連續(xù)的，初至的變化值應(yīng)該是在一定的限制值范圍之內(nèi)，如果突破了這個(gè)限制值的范圍，就會出現(xiàn)極不協(xié)調(diào)的孤立拐點(diǎn)(奇異值點(diǎn))。處理奇異值點(diǎn)有很多種方式，比如初至數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、曲線擬合逼近等(圖9)，這里運(yùn)用最易實(shí)現(xiàn)的相鄰初至差分散程度統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法。

圖9 一種合適的擬合初至的方法Fig.9 A suitable fitting curve of first break(a)實(shí)際初至與線性擬合對比;(b)實(shí)際初至與加上修正量之后擬合對比

在相同的數(shù)據(jù)集中，相鄰兩個(gè)初至數(shù)據(jù)點(diǎn)的差值制約條件是基本固定的，這種差值不會無限制的增加或者減少，可以利用統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行初至奇異值排除。統(tǒng)計(jì)規(guī)律排除的基本原理如下：

1)手繪初至數(shù)據(jù)集中趨勢線，如果每個(gè)初至點(diǎn)的坐標(biāo)為yi(xi,ti)，集中分布趨勢線可以假設(shè)首尾點(diǎn)的坐標(biāo)分別為y1(x1,t1)和y2(x2,t2)可以使用兩點(diǎn)式的直線方程表示：

(y-t1)/(t2-t1)=(x-x1)/(x2-x1)

式中要求x1≠x2，t1≠t2?？梢岳命c(diǎn)到直線的距離公式求出每個(gè)初至點(diǎn)距離趨勢線的距離。然后根據(jù)指定的距離閾值判斷每個(gè)初至，根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行計(jì)算排除(圖10)。

圖10 利用手繪集中區(qū)域初步排除奇異初至值Fig.10 Preliminary exclusion of singular initial values by using hand-painted concentrated regions(a)手工繪制集中區(qū)域趨勢線;(b)旋轉(zhuǎn)至水平方向并標(biāo)記奇異值的初至數(shù)據(jù)

2)將一個(gè)有序的初至數(shù)據(jù)集合，看作一個(gè)與樁號、炮檢距或者高程等有密切聯(lián)系的一些列離散函數(shù)值。利用相鄰初至差的分散程度實(shí)現(xiàn)初至數(shù)據(jù)的再次過濾，這種分散程度使用最常規(guī)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法就可以實(shí)現(xiàn)。設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)道距為dx(dx>0)，

ti代表第di(i=1,2,3……,n)數(shù)據(jù)道初至?xí)r間值，則相鄰一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)道距的兩個(gè)數(shù)據(jù)道之間的數(shù)值差Δt可以表示為：

Δti=ti+1-ti(i=1,2,3，…,n-1)

(1)

野外排列位置變化很復(fù)雜，炮點(diǎn)及接收點(diǎn)道的分布總是不均勻的?？紤]到初至值的變化與接收點(diǎn)的空間位置密切相關(guān)，在進(jìn)行奇異值誤差估計(jì)時(shí)需要盡量考慮排列長度、高程值等關(guān)鍵因素的影響。筆者先不考慮低降速帶的變化，僅從地形考慮，如果空間位置增大，相鄰兩道之間的初至之差也會增大，如果接收道位置增高，相鄰兩道之間的初至之差也會增加。我們需要根據(jù)實(shí)際初至統(tǒng)計(jì)與排列長度和高程值相關(guān)的一個(gè)修正量ki，最簡單的就是排列長度增量kx和高程變化增量kz，用于增大初至差的容錯(cuò)率。這種初至差轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)道距的修正值可以表示為：

(2)

修正之后的初至差序列為Δtki=kiΔti，然后利用常規(guī)的統(tǒng)計(jì)學(xué)求取Δtki數(shù)值序列的平均值Δtka、標(biāo)準(zhǔn)方差Δtks。

對于修正之后的每一個(gè)初至差值，其與均值的偏離程度可以用式(3)表示。

dki=|Δtki-Δtka|

(3)

如果一個(gè)數(shù)值序列確定，那么Δtka和Δtks將都是定值。我們可以利用Δtka和Δtks設(shè)置奇異值過濾閾值。這個(gè)閾值定義為：

Bi=[(dki-CΔtks)>0]

(4)

其中：Bi為奇異值排除閾值；C為給定校正常數(shù)。以求取的dki大于CΔtks為奇異值判斷標(biāo)準(zhǔn)，如果超過視該初至值為奇異點(diǎn)，對相應(yīng)初至置刪除標(biāo)記。針對具體工區(qū)，C值可以先利用幾炮數(shù)據(jù)手工拾取之后由程序統(tǒng)計(jì)確定。奇異值篩選應(yīng)保證所在數(shù)據(jù)集具有一致性，如常用的數(shù)據(jù)集有共炮點(diǎn)數(shù)據(jù)集、共接收點(diǎn)數(shù)據(jù)集和共炮檢距數(shù)據(jù)集(圖11～圖12)。

圖11 共炮點(diǎn)道集上進(jìn)行排除(黑點(diǎn)標(biāo)記)Fig.11 Marking of common shot gathers(black markers)(a)一個(gè)排列初至數(shù)據(jù);(b)多個(gè)排列的初至數(shù)據(jù)奇異值篩選

圖12 共接收點(diǎn)和共炮檢距數(shù)據(jù)篩選(黑點(diǎn)標(biāo)記)Fig.12 Result of screening of common receiver points and common offset points datasets(black markers)(a)共接收點(diǎn)初至數(shù)據(jù)篩選結(jié)果;(b)共炮檢距數(shù)據(jù)集篩選結(jié)果

3 應(yīng)用實(shí)例及效果

在某三維工區(qū)中進(jìn)行了六千余炮的初至拾取排除測試，實(shí)際人工拾取需要4個(gè)人努力花費(fèi)15 d左右才手工拾取完成。但從拷貝數(shù)據(jù)開始至最終完成閾值篩選，利用此自動剔除方法僅花費(fèi)1 d的時(shí)間。首先在共炮點(diǎn)道集上初至數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和排除標(biāo)記(圖13～圖14)；其次利用前面的篩選結(jié)果又切換至共接收點(diǎn)初至數(shù)據(jù)集和共炮檢距初至數(shù)據(jù)集中進(jìn)行類似的計(jì)算排除；再次根據(jù)前面篩選排除結(jié)果迭代進(jìn)行，最終消除了絕大部分奇異值，最大程度的保留有效初至，留下極為少數(shù)的奇異值初至數(shù)據(jù)點(diǎn)(圖15)，最終獲得的初至總數(shù)為4 490×104個(gè)，介于手工拾取初至總量和在手工拾取初至總量基礎(chǔ)上隨機(jī)減少10%的數(shù)目之間。

圖13 某炮點(diǎn)排除奇異值點(diǎn)之后效果Fig.13 The effect after excluding singular value points of a shot point(a)利用閾值篩選初至顯示;(b)部分排列放大顯示

圖14 某炮點(diǎn)部分排列初至數(shù)據(jù)奇異值排除前后在地震道集上的對比Fig.14 Comparison of seismic traces before and after elimination of singular values of first break data from partial spread of shot points(a)某排列自動拾取初至結(jié)果;(b)奇異值閾值排除之后的結(jié)果

圖15 初至閾值篩選前后疊加對比Fig.15 Overlay comparison of first break before and after threshold screening(a)單個(gè)炮點(diǎn)奇異值篩選前后對比;(b)全部炮點(diǎn)奇異值篩選前后對比

圖15是自動拾取結(jié)果和閾值篩選奇異值之后的初至數(shù)據(jù)疊加顯示，從圖15中可以看出，自動拾取后的初至中(草綠色)包含有大量的奇異值點(diǎn)；經(jīng)過閾值方式編輯處理之后的初至(藍(lán)色)奇異值點(diǎn)幾乎去得很干凈，其中也可能包含去掉的部分有效初至數(shù)據(jù)。圖16是手工拾取初至和閾值篩選初至后獲得的層析靜校正疊加剖面。通過比較可以看出，兩種剖面在構(gòu)造形態(tài)幾乎沒有差別，靜校正量差異是很微弱的。

圖16 手工拾取初至與和閾值篩選初至層析靜校正量疊加剖面對比Fig.16 Comparison of tomographic static correction stack section between of manual picking and threshold screening first break(a)手工拾取初至后層析靜校正疊加剖面;(b)閾值篩選初至后層析靜校正疊加剖面

最后一步是進(jìn)度最慢的一步，可以根據(jù)需要安排人手開展工作。將篩選之后的初至數(shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)行人工檢查或者后續(xù)的人工拾取操作，刪除做好標(biāo)記的所有初至，輸出最終拾取結(jié)果。當(dāng)然，也可以視情況直接使用編輯之后初至數(shù)據(jù)獲取快速處理項(xiàng)目的靜校正量，用于后續(xù)的精細(xì)初至拾取和精細(xì)處理項(xiàng)目之中。

4 結(jié)束語

在進(jìn)行初至奇異值自動編輯剔除的過程中，有如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

1)利用軟件進(jìn)行初至奇異值處理，能夠節(jié)約大量的人力勞動，也不容易出現(xiàn)初至奇異值剔除失誤，實(shí)現(xiàn)最大程度地改善因奇異值點(diǎn)的影響帶來的靜校正量誤差，明顯提高工作效率。

2)本方法只是一個(gè)拋磚引玉的方法，不是初至編輯的萬能法。這種方法對于初至的變化趨勢與地形和低降速層變化呈線性關(guān)系較強(qiáng)的地區(qū)適應(yīng)性較好。因?yàn)楹Y選初至需要一定的誤差控制，所以篩選過程中會出現(xiàn)某些奇異值不能排除，或者將一些有效的初至數(shù)據(jù)給排除掉。需要在實(shí)際應(yīng)用中與實(shí)際地震數(shù)據(jù)對比，反復(fù)修改，讓篩選參數(shù)更適合實(shí)際需要。

3)使用本方法可以減少初至拾取工作量，但無論何種軟件對初至自動拾取不可能達(dá)到百分之百準(zhǔn)確，還是需要部分人工干預(yù)。但在對工程項(xiàng)目要求時(shí)間緊工作量大的情況下，此法能夠提供較為準(zhǔn)確的快速處理靜校正量，并為下一步人工精細(xì)拾取做好準(zhǔn)備。

4)在保證自動拾取初至效果準(zhǔn)確率很高的情況下，選定的排除擬合函數(shù)不同，初至最終排除效果也會不一致。使用逼近真實(shí)初至的擬合函數(shù)和抓住關(guān)鍵影響因素，排除絕大多數(shù)初至奇異值，獲得準(zhǔn)確的初至數(shù)據(jù)和高精度的靜校正量才是最終目的。